基于气动肌腱的可穿戴模块化柔性上肢康复机器人与控制系统设计*

doi:10.16731/j.cnki.1671-3133.2026.06.008

现代制造工程 ›› 2026, Vol. 549 ›› Issue (6): 67-76.doi: 10.16731/j.cnki.1671-3133.2026.06.008

基于气动肌腱的可穿戴模块化柔性上肢康复机器人与控制系统设计^*

朱凌飞^1,2, 郑坤明^1,2,3,4, 张秋菊^1,2, 顾文俊^1,2

1 江南大学智能制造学院,无锡 214401;
2 江苏省食品先进制造装备与技术重点实验室,无锡 214122;
3 江苏佳利达国际物流股份有限公司,无锡 214028;
4 南京信息工程大学电子与信息工程学院,南京 210044

收稿日期:2025-02-13 出版日期:2026-06-18 发布日期:2026-07-02
通讯作者: 郑坤明,博士,副教授,主要研究方向为机器人动力学与智能感知控制。E-mail:zhengkunming_111@jiangnan.edu.cn
作者简介:朱凌飞,硕士研究生,主要研究方向为外骨骼康复机器人。E-mail:zhulingf226@foxmail.com
基金资助:
*国家自然科学基金青年科学基金项目(52205015);江南大学2025年本科教育教学改革研究项目(JG20250111);江南大学2025年校级一流本科课程(智慧课程)(《机器人学基础》)项目(1332050205251030);江苏省“双创博士”人才项目(JSSCBS20210859);中央高校基本科研业务费专项资金项目(JUSRP121044)

Design of wearable modular flexible upper limb rehabilitation robot and its control system based on pneumatic tendon

ZHU Lingfei^1,2, ZHENG Kunming^1,2,3,4, ZHANG Qiuju^1,2, GU Wenjun^1,2

1 School of Intelligent Manufacturing,Jiangnan University,Wuxi 214401,China;
2 Jiangsu Key Laboratory of Advanced Food Manufacturing Equipment and Technology,Wuxi 214122,China;
3 Jiangsu Jd-Link International Logistics Co.,Ltd., Wuxi 214028,China;
4 School of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China

Received:2025-02-13 Online:2026-06-18 Published:2026-07-02

摘要/Abstract

摘要： 针对国内外上肢康复机器人结构相对固定、缺乏灵活可重构性的问题,设计了一种基于气动肌腱的可穿戴模块化柔性上肢康复机器人,该装备通过柔性动力模块和柔性固定模块的组合实现灵活的康复目标。首先,为克服气动肌腱非线性度高的问题,设计了气动肌腱拉伸试验台,通过试验获取气动肌腱拉力、腔内气压与收缩量三者之间的耦合模型;然后,建立了康复机器人的运动学、动力学模型,通过Simulink软件搭建了控制系统,并与Adams软件进行了联合仿真优化;接着,利用STM32微控制单元搭建了控制系统各模块的硬件电路;最后,搭建了物理样机并通过肌电信号传感器对康复数据进行了采集分析,可实现预期的主/被动康复目标,验证了该机器人的有效性。

关键词: 上肢康复机器人, 气动肌腱, 结构设计, 控制系统, 柔性

Abstract: Aiming at the problems of relatively fixed structure and lack of flexible reconfigurability of upper limb rehabilitation robots at home and abroad,a wearable modular flexible upper limb rehabilitation robot based on pneumatic tendon was designed. The device realized flexible rehabilitation goals through the combination of flexible power module and flexible fixed module. Firstly,in order to overcome the problem of high nonlinear degree of pneumatic tendon,a pneumatic tendon tension test bench was designed,and the coupling model between pneumatic tendon tension,intracavity pressure and contraction was obtained through experiments. Then,the kinematic and dynamic model of the device was established,and the control system was built by Simulink software,and the co-simulation and optimization was carried out with Adams software. Then,STM32 microcontroller unit was used to build the hardware circuit of each module of the control system. Finally,the physical prototype was built and the rehabilitation data was collected and analyzed by the electromyogram sensor,which can achieve the expected active/passive rehabilitation goals and verify the effectiveness of the robot.

Key words: upper limb rehabilitation robot, pneumatic tendon, structural design, control system, flexibility

中图分类号:

TP242

朱凌飞, 郑坤明, 张秋菊, 顾文俊. 基于气动肌腱的可穿戴模块化柔性上肢康复机器人与控制系统设计^*[J]. 现代制造工程, 2026, 549(6): 67-76.

ZHU Lingfei, ZHENG Kunming, ZHANG Qiuju, GU Wenjun. Design of wearable modular flexible upper limb rehabilitation robot and its control system based on pneumatic tendon[J]. Modern Manufacturing Engineering, 2026, 549(6): 67-76.

参考文献

[1] CHEN Y,LIANG L,WU M,et al. Experimental verification study on trajectory tracking of a novel rehabilitation exoskeleton shoulder joint[J]. Journal of Mechanics in Medicine and Biology,2019,19(7):1940037.
[2] SATOH H,KAWABATA T,SANKAI Y. Bathing care assistance with robot suit HAL[C]//2009 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO). [S.l.]:IEEE,2009:498-503.
[3] NODA T,MORIMOTO J. Development of upper-extremity exoskeleton driven by pneumatic cylinder toward robotic rehabilitation platform for shoulder elevation[C]//2015 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). [S.l.]:IEEE,2015:496-501.
[4] 孟德远,李顺利,杨林,等. 气动肌肉力-位移迟滞特性实验与建模[J]. 农业机械学报,2021(4):402-410.
[5] KIM B,DESHPANDE A D. An upper-body rehabilitation exoskeleton Harmony with an anatomical shoulder mechanism:design,modeling,control,and performance evaluation[J]. The International Journal of Robotics Research,2017,36(4):414-435.
[6] NEF T,MIHELJ M,RIENER R. ARMin:a robot for patient-cooperative arm therapy[J]. Medical & Biological Enginee-ring & Computing,2007,45(9):887-900.
[7] 赵智睿,李醒,张航,等.面向单臂弯举的气动肌肉上肢外骨骼系统设计与实验[J]. 农业机械学报,2022,53(1):423-430.
[8] CHEN C T,LIEN W Y,CHEN C T,et al. Dynamic modeling and motion control of a cable-driven robotic exoskeleton with pneumatic artificial muscle actuators[J]. IEEE Access,2020,8:149796-149807.
[9] 翟宇毅,马新愿,陈冬冬,等. 柔性穿戴式上肢康复机器人关节运动控制研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版),2021,49(6):19-27.
[10] ANDRIKOPOULOS G,NIKOLAKOPOULOS G,MANESIS S. Design and development of an exoskeletal wrist prototype via pneumatic artificial muscles[J]. Meccanica,2015,50(11):2709-2730.
[11] 蒋洪飞. 基于气动肌肉的灵巧上肢外骨骼设计及控制研究[D]. 沈阳:东北大学,2019.
[12] CHOU C P,HANNAFORD B. Measurement and modeling of McKibben pneumatic artificial muscles[J]. IEEE Transactions on Robotics and Automation,1996,12(1):90-102.
[13] 臧克江. 编织型气动人工肌肉工作机理及设计理论研究[D]. 哈尔滨:东北林业大学,2012.
[14] 焦磊涛. 基于气动肌肉驱动的仿蛙腿跳跃机构控制系统研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014.

[1]	李浩平, 李景瑞, 杜昕毅, 金朱鸿, 于波涛. 考虑变工艺参数的柔性作业车间动态调度[J]. 现代制造工程, 2026, 545(2): 12-23.
[2]	韩培蕾, 胡昌格, 边子元. 中文标题基于双足攀爬运动的全方位爬楼机器人结构设计[J]. 现代制造工程, 2026, 545(2): 50-55.
[3]	杜潇, 栗飞, 梁勇, 李天箭. 多工序大允差大型发动机缸体翻转机结构设计^*[J]. 现代制造工程, 2026, 545(2): 91-100.
[4]	葛师语, 王玉芳, 张毅, 华晓麟. 考虑夹具的双资源约束柔性作业车间调度研究^*[J]. 现代制造工程, 2026, 544(1): 1-14.
[5]	吕向飞, 黄帅, 匡青云, 郭伟飞. 基于全局设备选择初始化的设备无关延迟柔性综合调度算法^*[J]. 现代制造工程, 2026, 544(1): 15-24.
[6]	李俊, 朱楚, 刘捷舟, 李培军, 李松柏, 严宏志. 螺旋超越离合器结构设计及动态接合性能研究^*[J]. 现代制造工程, 2026, 544(1): 135-144.
[7]	郑国梁, 张朝阳, 吉卫喜, 于俊杰. 基于DQN的改进NSGA-Ⅱ求解多目标柔性作业车间调度问题[J]. 现代制造工程, 2025, 540(9): 1-11.
[8]	朱敏, 王岩, 卞京, 卢宇涵. 基于改进蛇优化算法的柔性作业车间调度研究[J]. 现代制造工程, 2025, 540(9): 12-19.
[9]	王国平, 刘吉轩, 贾谦, 门静, 张欣昱, 张琛. 机器人柔性关节变刚度技术研究进展^*[J]. 现代制造工程, 2025, 538(7): 149-159.
[10]	廖雪超, 向桂宏, 阮兵, 田芮利, 钟实. 带AGV数量约束的柔性作业车间调度问题研究^*[J]. 现代制造工程, 2025, 537(6): 11-21.
[11]	魏杨珂, 岳龙旺, 李莎, 刘冲. 基于颗粒体阻塞的可变刚度柔性机械手指研究^*[J]. 现代制造工程, 2025, 536(5): 73-81.
[12]	陈子研, 黎增灿, 管在林. 基于麻雀搜索算法的柔性作业车间不一致分批调度问题研究[J]. 现代制造工程, 2025, 535(4): 11-24.
[13]	梁彤, 白雨航, 张保旭, 李亚男, 赵彦峻. 基于TRIZ两相出行康复外骨骼的结构设计与研究^*[J]. 现代制造工程, 2025, 535(4): 84-90.
[14]	刘亮, 贺禹铭, 祁思远. 基于数字孪生仿真的柔性作业车间调度优化研究^*[J]. 现代制造工程, 2025, 534(3): 41-51.
[15]	刘宇, 张磊, 邵建根, 刘海涛, 顾逢平, 章悦. 一种可伸缩旋臂的楼梯清洁机器人及其控制设计^*[J]. 现代制造工程, 2025, 534(3): 60-68.

基于气动肌腱的可穿戴模块化柔性上肢康复机器人与控制系统设计^*

Design of wearable modular flexible upper limb rehabilitation robot and its control system based on pneumatic tendon

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics